低热损微型燃气透平燃烧器的研制.pdf

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1、中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：094287 低热损微型燃气透平燃烧器的研制低热损微型燃气透平燃烧器的研制 蒋利桥，赵黛青，汪小憨，杨卫斌（中国科学院广州能源研究所，广州 510640）（Tel：020-87057771，Email：）摘 要：设计制造了一种基于多孔壁面均匀进气新型微燃气透平燃烧器，该燃烧器为厘米级别尺度，以甲烷/空气为燃料进行了微燃烧器燃烧特性实验。在不同燃料当量比和混合气流量下，详细考察了可燃烧极限范围、燃烧室内火焰和壁面温度分布、燃料转换率、燃烧效率和壁面热损失率等特性。结果表明，所设计的微燃烧器能获得稳定火焰，壁面温度低于火焰 300，燃烧效率达 90，

2、热损失率 1030，但燃烧器金属壁面内的导热使得壁面温度仍然偏高，还需要进一步完善。关键词：壁面渗透，微燃烧器，微燃气透平 0 前言 近十多年来，各种基于燃料燃烧的微型动力系统（Power MEMS）原型不断被提出，如微型燃气透平1、微发动机2、微推进器3、微型热电系统4和微型热光伏系统5等。但是微尺度效应导致燃烧器的燃烧过程变得难以有效组织和控制，特别是热损失急剧增加导致燃烧不稳定、可燃极限范围变窄和燃烧不完全等问题突出6，最终导致微动力系统燃烧效率和热效率偏低。微型燃气透平系统是最早提出的微动力系统，其微燃烧器的改进是提高系统性能的关键。MIT 研发的新型硅基微燃气透平燃烧器通过设计回热通

3、道来减少热损失7，曹8等开发的不锈钢回热型微透平燃烧器在降低热损失方面取得不错的效果。但是，目前微透平燃烧器热损失率还是偏高，接近 50，还可以进一步降低。多孔介质壁面表面形成的平面预混火焰具有火焰稳定性好、火焰面均匀和火焰高度尺寸小等特点，有利于在狭小空间内组织燃烧。Yuasa 等9研究提出了平面火焰微型燃气透平概念燃烧器，并以氢气为燃料进行了原理性实验，笔者等10研发的圆柱装多孔介质壁微燃烧器热损失降低效果显著。在前期研究基础上，本论文研发一种基于多孔介质壁面均匀进气的微型燃气透平燃烧器，以甲烷/空气混合气为燃料，详细实验研究了该微型燃烧器的燃烧特性。1 实验装置 图 1 为实验系统简图，

4、甲烷和空气由质量流量计控制进入燃烧器，点火装置为 15KV脉冲直流电源点火，燃烧室内火焰、燃烧室出口烟气、燃烧室预热通道和燃烧器外壁面 基金项目：中日 NFSC-JST 重大国际合作项目（50721140651），广东省自然科学基金重点项目（06104525）温度由多个 K 型热电偶进行测量，并通过 Agilent 34970A 数据采集模块和计算机进行数据处理，实验中壁面温度测量精度为 1K/100K，所有的温度测量值都没有进行修正。在燃烧器出口通道中布置了内径 1mm 的耐高温石英玻璃管取样头，烟气通过 Horiba PG250 烟气分析仪进行在线分析，同时，尾气由微型泵（0.1L/min

5、）抽气经气袋采集后进行离线色谱分析。微燃烧器实物、结构尺寸及其温度测量点布置位置如图 2 所示。燃烧器材料为不锈钢，采用机械加工方式制造。燃烧室内圆柱壁面为多孔铜烧结管，厚度1.5mm，上壁面为不锈钢烧结多孔板，厚度 1mm。实验前对开放空间中多孔壁面平面火焰稳定特性和熄火间距进行试验，得知火焰高度（浮起高度+火焰厚度）为 2mm 左右，而熄火距离也小于 3mm，结合电点火器间距要求，本文所设计的燃烧室空间最小尺寸（燃烧室高度）为 4.2mm。因为透平动、静叶片直径预留空间为 21mm，燃烧室内径为25.5mm，燃烧室环状进气分配腔间距为 1mm。TC1TC4 为预热通道内预混气测点，TC5T

6、C12 为燃烧器壁外表面温度测点，火焰温度由用作电点火器放电的热电偶 Tf 测量，在燃烧室出口透平叶片位置布置热电偶 Tout 测量燃烧室出口烟气温度。Gas analyzerFilterGlass plateCameraMicro combustorCombustor holdersamplerFuelAirMFCDisplay&ControllerData acquisitionThermocoupleMFCPCGC analyzerMicro bumpGas bag 图 1 微燃气透平燃烧器实验系统简图 图 2 微燃烧器实物、结构及热电偶布置位置 2 实验结果及讨论 2.1 可燃极限范围

7、 实验中由电点火器直接点燃甲烷/空气混合气比较困难，因此，点火时先采用低混合气流量的富燃料+部分纯氧气的混合气方式进行。富氧混合气点火稳燃后，调节甲烷/空气混合气当量比为 0.9 左右，关掉氧气，待火焰稳定燃烧几分钟后，逐渐调节燃料流量和当量比，直至火焰熄灭（Tf 测点温度迅速下降），确定熄火极限条件。微燃烧器可燃极限范围如图 3 所示，燃烧室体积为 1.93cm3，输入功率范围在 100800W 之间，多孔壁面平均进气流速为 0.030.25m/s（常温常压下），稳定燃烧燃料当量比0.551.2，实际微燃气透平工作时将选用贫燃料工况。0.50.60.70.80.91.01.11.21.301

8、50300450600750900Stable flamesInput power /W blow off quenching 图 3 微燃烧器可燃极限范围 2.2 温度分布特性 微燃烧器温度分布特性如图 4 和 5 所示。在燃料当量比0.55 时，火焰温度低于700，壁面温度从 230430不等，进气腔内预混气被预热到 400，TC6、TC12 和TC9 测点温度接近上、下表面和侧壁面的平均温度，壁面平均温度与火焰温度相差 200。微燃烧外表面壁面温度分布不均匀，上、下表面温度高于侧面，这主要是由于上、下表面直接接触燃烧室高温部件，导热使得上、下壁面温度处于较高的范围。固定当量比时，随燃料流

9、量的增加，燃烧器热负荷增加，火焰和出口烟气温度上升，但壁面温升相对平缓，因此，可选择相对较大的燃料流量工况作为燃烧器运行工况。燃料当量比的变化对温度分布影响非常明显（图 5），外壁面温度最高达 650（0.9），而预混气进气腔内测点温度也达 700，过高的多孔壁面温度会烧坏多孔板。Fan 等11研究得出在壁面温度大于 600时，1.0mm 微通道内可以获得稳定甲烷/空气预混火焰，在壁面温度大于 400时，1.5mm 微通道内可以获得稳定火焰。虽然本文采用多孔板孔隙率小于 0.2mm，该尺寸可以防止火焰在多孔板内传播，但是，多孔板分别与燃烧室另两侧高温不透气壁面直接接触，燃烧室非多孔介质内壁面直

10、接与火焰接触，壁面温度接近火焰，因此，高温非多孔介质燃烧室壁面向多孔壁面传热导致多孔壁面快速升温。当燃烧器壁面温度升高时，进气腔内高温预混气可能被点燃，并在进气腔内传播，从而发生回火。实验中，火焰温度明显高过进气腔内温度，进气腔内没有局部高温，主要燃烧反应还是在燃烧室内发生。然而，在进行燃烧器结构参数设计和实验工况选用中，需要避免多孔壁面被烧坏和回火。实际微透平燃烧器应用时，基本采用超贫燃工况，在获得更多的膨胀功的同时，还可以降低燃烧室出口烟气温度，确保动静叶片在相对较低的安全温度范围工作。150200250300350200250300350400450500 0.55Input Power

11、 /WPreheated temperaturae,Tw /TC1 TC2 TC3 TC41502002503003503004005006007008000.55Input Power /WWall and flame temperature,T /Tf Tout TC6 TC9 TC122002503003502503003504004500.55Input Power /WWall temperatuare,Tw /TC5 TC6 TC7 TC8 TC9 TC10 TC11 TC12 TC13a c b 0.50.60.70.80.91.01.11.2200300400500600700

12、800Equivalence ratio,Qmixture=6472ml/min Preheated temperature,Tg /TC1 TC2 TC3 TC40.50.60.70.80.91.01.11.2300400500600700800Wall temperature,Tw /Equivalence ratio,Qmixture=6472ml/min TC5 TC6 TC7 TC8 TC9 TC10 TC11 TC12 TC130.50.60.70.80.91.01.11.23004005006007008009001000Equivalence ratio,TC06 TC09 T

13、C12CH4/Air Qmixture=6472ml/minWall and flame temperature,T/Tf Toutacb 图 4 输入功率对温度分布的影响 图 5 燃料当量比对温度分布的影响 2.3 燃烧特性 本文从燃料燃烧完全度、燃料转换率、燃烧效率和热损失率等几方面来考察微燃烧器的性能。通过对尾气成分进行分析，根据氮平衡原理计算出燃料转换率和燃烧效率，由燃烧器外壁面自然对流和热辐射损失计算热损失率，图 6 和图 7 为微燃烧器燃烧特性测试结果。在固定0.55 时，燃料转换率和燃烧效率最高达 90，很低的混合气流量时，尾气中 H2浓度增加，高的燃料流量时，燃料甲烷残留率和

14、CO 增多，导致燃烧效率降低和不完全燃烧程度增加，热损失率低于 15。燃料增加导致输入能量增加，但壁面温度升幅较慢，所以热损失率降低。实验数据处理表明，当壁面平均温度小于 350时，自然对流和热辐射损失比例各占 50，但在 500壁面温度时，辐射换热占 2/3。因此，降低壁面温度来减少微燃烧器热辐射损失是减少燃烧器热损失的有效手段。贫燃料状况下，燃料转换率和燃烧效率可达 90，当0.8 以后，随当量比增加，尾气中 CH4、CO 和 H2均出现明显增加的趋势，燃料转换率和燃烧效率显著降低。但在燃烧效率较高的工况下，微燃烧器热损失率增加，接近 30，其原因是壁面温度显著上升，热辐射比例明显升高。微

15、燃烧器的尾气中 CH4残留值比较高，最高甚至达到 3，导致燃料转换率和燃烧效率偏低，这与微燃烧器多孔壁面进气结构布置方式密切相关。由于在燃烧室侧面多孔壁面底部所进的燃料没有经过燃烧室高温反应区，直接进入叶片通道排出，因此，尾气中未完全反应燃料甲烷浓度会偏高，这在后续的研究中将通过改进多孔壁面进气结构位置来完善。微燃烧器的 NO 排放非常低（图 8），贫燃料下在几个 ppm 量级，而当量比较高时，也才 10ppm 量级，因此，微尺度下燃烧器的主要排放还是来自不完全燃烧的燃料、CO 和碳氢化合物。2002503003500.000.030.060.090.120.150.180.55H2:X100

16、CO:X100Mole fraction Input power /W CO2 O2 H2 CH4 CO1502002503003500.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.55Input Power /W CH4 conversion ratio Combustion efficiency Heat loss ratioa b 0.50.60.70.80.91.01.11.20.000.030.060.090.120.15Equivalence ratio,CH4/AirQmixture=6472ml/minMole fraction CO2 O2 CO H2

17、CH40.50.60.70.80.91.01.11.21.30.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0CH4/AirQmixture=6472ml/min CH4 conversion ratio Combustion efficiency Heat loss ratioEquivalence ratio,a b 图 6 贫燃时微燃烧器性能 图 7 燃料当量比对微燃烧器性能的影响 1502002503003500.00.51.01.52.02.5Input power /W0.55 NO concentration/ppm0.50.60.70.80.91.01.11.2

18、1.324681012Qmixture=6472ml/minEquivalence ratio,NO concentration/ppm 图 8 微燃烧器 NO 排放特性 3 结论 对一种新型的基于多孔介质壁面微燃气透平燃烧器进行研制和实验研究，得出如下结论：（1）以甲烷/空气为燃料，燃烧室空间约为 2cm3的燃烧器可以在 100800W 输入功率范围稳定燃烧，稳燃工况当量比0.551.2 之间，微燃烧器在贫燃料工况下，燃烧效率可达 90。（2）多孔壁面均匀进气结构对微燃烧器热损失的降低作用明显，壁面温度低于火焰温度 300甚至更多，燃烧器热损失率在 1030之间，远低于常规结构的微燃烧器。参

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